成果简介

高质量的二维石墨烯因其卓越的电子，热学和机械性能而在改善水凝胶的性能方面具有广阔的前景。然而，石墨烯中存在的结构缺陷限制了其进一步的应用。本文，郑州大学材料科学与工程学院许群教授课题组《MacromolecularMaterialsandEngineering》期刊发表名为“SuperfastSelfHealingandPhotothermalActiveHydrogelwithNondefectiveGrapheneasEffectiveAdditive”的论文，借助超临界二氧化碳（SCCO2）制造无缺陷石墨烯纳米片的简单而环保的方法。石墨烯纳米片直接与丙烯酸单体和粘土组装在一起，制备出柔性的半透明水凝胶。得益于无缺陷石墨烯的优异性能，水凝胶具有较高的机械性能，超快的自修复能力，出色的电导率和超高的光热转化效率。根据以上优点，石墨烯/聚丙烯酸/粘土水凝胶可在不久的将来用于疾病诊断，人造电子皮肤和军事隐形材料的智能传感器。

图文导读

图1、a，b）通过旋涂法沉积在云母片上的石墨烯纳米片的代表性AFM图像

c）石墨烯的3DAFM图像。石墨烯的HR-TEM图像

d）中被红色正方形包围的区域的放大图像。

e）石墨烯的C1sXPS光谱。

f）石墨烯和本体石墨的拉曼光谱。

g）沉积在硅基底上的石墨烯纳米片的光学显微图像。

h–k）分别制备的石墨烯的D，G峰和D/G比的拉曼映射。拉曼激发激光波长为nm。借助SCCO2（20MPa，40°C）制备石墨烯，乙醇/H2O2的体积比为2：8。

图2、a）拉曼光谱和b）在不同压力下制备的石墨烯的ID/IG比。c–f）分别在12、14、16和18MPa下制备的石墨烯的相应C1sXPS光谱。

图3、a）石墨烯/PAA/黏土复合水凝胶的形成过程示意图。

b）在SCCO2（20MPa，40°C）（向上）和添加石墨烯之前（左）和之后（右）的帮助下，与LED相连的轻质LED与石墨烯的连接。

c）自修复过程前后的PAA/黏土/石墨烯水凝胶和纯PAA/黏土水凝胶的拉伸应力与应变曲线，自修复时间为1h。

d）分别粘附在金属和玻璃材料上的水凝胶的照片。

图4、a）演示了串联回路中石墨烯/PAA/黏土水凝胶的自修复过程，自修复时间设置为1分钟。b）切口的数码照片（左），愈合区域的侧视图（中）和愈合样品（右）。c）自我修复机制的示意图。

图5、a）未经NIR照射的石墨烯/PAA/黏土水凝胶的光热图像（左），经过NIR照射1s（中）和31s（右），功率为1.06W.借助SCCO2（20MPa，60°C）辅助，乙醇/H2O2的体积比为2：8。

b）石墨烯/PAA/黏土水凝胶（石墨烯在60℃下在20MPa下制备，乙醇/H2O2的体积比为2：8）的开关温度曲线（1.06W）。

c）未经NIR照射的石墨烯/PAA/黏土水凝胶的光热图像（左），经过NIR照射1s（中）和31s（右），功率为1.06W.通过超临界CO获得的石墨烯样品2在40℃时为12MPa，乙醇/H2O2的体积比为2：8。

d）在近红外（1.06W）照射下，石墨烯/PAA/黏土水凝胶（石墨烯在40℃下以12MPa制备，乙醇/H2O2的体积比为2：8）的开关温度曲线。

e）具有缺陷的石墨烯或无缺陷的石墨烯的水凝胶的光热转化的示意图。

小结

综上所述，展示了一种基于SCCO2的新颖工艺，用于生产无缺陷石墨烯纳米片。石墨烯纳米片可以在SCCO2的高压下进一步连接到完美的大尺寸石墨烯。石墨烯的结构缺陷程度可以通过SCCO2的压力和温度来控制。高压和低温有利于无缺陷石墨烯的结构完整性。制备的石墨烯具有优异的导电性和光热性能，使其成为PAA/黏土水凝胶的有效添加剂。与不含石墨烯的水凝胶相比，所制备的石墨烯/PAA/黏土水凝胶显示出超快的自愈能力，只需添加0.16wt％的石墨烯即可在30s内治愈。此外，石墨烯/PAA/黏土水凝胶在近红外激光下曝光时也显示出很强的光热转化效率和导热性。石墨烯和水之间以及石墨烯和PAA之间的强氢键相互作用有效地促进了热能在复杂水凝胶中的传输。

文献：